KR100813598B1 - 질화물계 반도체 발광다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물계 반도체 발광다이오드에 관한 것으로서, 특히, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 소정 간격 이격되어 형성된 복수의 도트와, 상기 도트의 상부 표면을 따라 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 전류확산층과, 상기 전류확산층 상에 형성된 p형 전극 및 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극을 포함하는 질화물계 반도체 발광다이오드를 제공한다.

발광다이오드, 광추출효율, 전류확산층, 표면요철, 도트(dot)

Description

질화물계 반도체 발광다이오드{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DIODE}

도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광다이오드의 구조를 나타낸 사시도.

도 2는 도 1의 "A"부분을 확대하여 나타낸 확대도.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광다이오드의 구조를 나타낸 단면도.

도 4는 도 1 및 도 3에 도시된 질화물계 반도체 발광다이오드의 동작전압(V) 변화를 비교하여 나타낸 그래프.

도 5는 도 1 및 도 3에 도시된 질화물계 반도체 발광다이오드의 밝기(lm) 변화를 비교하여 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광다이오드의 구조를 나타낸 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 기판 120 : n형 질화물 반도체층

130 : 활성층 140 : p형 질화물 반도체층

150 : 전류확산층 155 : 표면 요철

160 : n형 전극 170 : p형 전극

200 : 도트(dot)

본 발명은 질화물계 반도체 발광다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전류확산층의 두께 증가 없이 외부 양자효율을 향상시킬 수 있는 표면 요철을 형성하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 질화물계 반도체 발광다이오드에 관한 것이다.

일반적으로, 발광다이오드(Light Emitting Diode; 이하, 'LED'라 칭함)는 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN 및 AlGaInP 등의 화합물 반도체(compound semiconductor) 재료의 변경을 통해 발광원을 구성함으로서, 다양한 색의 빛을 구현할 수 있는 반도체 발광소자를 말한다.

최근 LED는, 비약적인 반도체 기술의 발전에 힘입어, 저휘도의 범용제품에서 탈피하여, 고휘도, 고품질의 제품 생산이 가능해졌다. 또한, 고특성의 청색(Blue), 백색(White) 다이오드의 구현이 현실화됨에 따라서, LED는 디스플레이, 차세대 조명원 등으로 그 응용가치가 확대되고 있다.

특히, Ⅲ-Ⅴ족의 질화물을 이용한 화합물 반도체 LED는 천이 방식이 레이저 발진 확진 확률이 높은 직접 천이형이고 청색 레이저 발진이 가능한 특성 때문에 주목이 되고 있다.

그러면, 이하 도 1을 참조하여 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 LED에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 LED의 구조를 나타낸 사시도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 LED는 사파이어 기판(110) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(120), 다중우물구조인 GaN/InGaN 활성층(130) 및 p형 질화물 반도체층(140)을 포함하며, 상기 p형 질화물 반도체층(140)과 GaN/InGaN 활성층(130)은 식각(mesa etching) 공정에 의하여 그 일부 영역이 제거되는 바, n형 질화물 반도체층(120)의 일부 상면을 노출한 구조를 갖는다.

노출된 상기 n형 질화물 반도체층(120) 상에는 n형 전극(160)이 형성되어 있고, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에는 ITO 등으로 이루어진 전류확산층(150) 및 p형 전극(170)이 순차 형성되어 있다.

한편, 종래 기술에 따른 전류확산층(150)은, 광 추출 효율(light extraction efficiency)을 향상시키기 위해 광이 방사되는 면이 오목하고 볼록한 형상의 표면 요철(155)을 가지고 있다.

그런데, 상기 전류확산층(150)은, 상기 p형 질화물 반도체층(140)의 상면으 로부터 상기 표면 요철(155)의 바닥면까지의 높이(h₂)가 약 3000Å 내지 4000Å의 두께 범위를 가져야 전류확산 기능을 할 수 있으며, 표면 요철(155)의 높이(h₃)는 최소 5000Å 이상 유지되어야 광 추출 효율을 얻을 수 있다.

그러나, 상기 전류확산층(150)의 전체적인 두께(h₁)가 5000Å 이상이 되면, 상기 활성층(130)에서 발광하는 광의 일부가 전류확산층(150) 내에 흡수되어 소멸되는 문제가 있다. 즉, 종래에는 h₂의 두께가 3000Å 내지 4000Å이고, h₃의 두께가 최소 5000Å 이상으로 형성될 수 밖에 없기 때문에 전체적인 두께(h₁)는 7000Å 내지 8000Å 이상의 두께로 형성되어 실질적으로 전류확산층의 표면 요철을 이용하여 광 추출 효율을 향상시키기엔 어렵다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 상기 전류확산층과 접하는 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 복수의 도트(dot)의 프로파일을 이용하여 표면 요철을 형성함으로써, 전류확산층의 두께 증가 없이 상기 전류확산층의 상부 표면에 표면 요철을 형성할 수 있는 질화물계 반도체 LED를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판과, 상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 소정 간격 이격되어 형성된 복수의 도트와, 상기 도트의 상부 표면을 따라 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 전류확산층과, 상기 전류확산층 상에 형성된 p형 전극 및 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극;을 포함하는 질화물계 반도체 발광다이오드를 제공한다.

또한, 본 발명의 질화물계 반도체 발광다이오드에서, 상기 도트는, 고내열성·고반사성 금속으로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 고내열성·고반사성 금속은, Pt, Al, Ni, Ag, W, Cu 및 Cr로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 금속 또는 이들의 합금으로 이루어진다.

또한, 본 발명의 질화물계 반도체 발광다이오드에서, 상기 도트는, 투과성 산화 계열의 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 투과성 산화 계열의 물질은, SiO₂, InO, SnO, ZnO, TiO 및 AlO로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질이다.

또한, 본 발명의 질화물계 반도체 발광다이오드에서, 상기 도트는, 100Å 내지 100,000Å 범위의 높이를 가지는 것이 바람직하다. 이는, 상기 도트의 높이가 100Å 미만일 경우엔, 높이가 낮아 요철의 기능을 할 수 없으며, 100,000Å을 초과할 경우엔, 단차가 극대화되어 후속 공정을 진행하는 점에 있어서 어려움이 있기 때문이다.

또한, 본 발명의 질화물계 반도체 발광다이오드에서, 상기 도트가 형성된 총 면적은, 발광 면적을 최대한 확보하기 위해 상기 전류확산층의 전체 면적의 50% 이하로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 질화물계 반도체 발광다이오드에서, 상기 전류확산층은, ITO로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기한 목적을 달성하기 위한 다른 본 발명은 기판과, 상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 제1 전류확산층과, 상기 제1 전류확산층 상에 소정 간격 이격되어 형성된 복수의 도트와, 상기 도트의 상부 표면을 따라 상기 제1 전류확산층 상에 형성된 제2 전류확산층과, 상기 제2 전류확산층 상에 형성된 p형 전극 및 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극을 포함하는 질화물계 반도체 발광다이오드를 제공한다.

또한, 본 발명의 질화물계 반도체 발광다이오드에서, 상기 제1 및 제2 전류확산층은, ITO로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.

이제 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광다이오드에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

실시예 1

먼저, 도 3을 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광다이오드의 구조에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광다이오드의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 기판(110) 상에 버퍼층(도시하지 않음), n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130) 및 p형 질화물 반도체층(140)이 순차 적층되어 있다.

상기 기판(110)은 바람직하게, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며, 사파이어 이외에, 기판(110)은 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 형성될 수 있다.

상기 버퍼층(도시하지 않음)은 GaN 계열 또는 SiC 계열로 형성되며, 생략 가능하다.

상기 n형 또는 p형 질화물 반도체층(120, 140)은 각 도전형 불순물 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성되며, 상기 활성층(130)은 InGaN/GaN층으로 구성된 다중우물 구조(Multi-Quantum Well)로 형성된다.

한편, 상기 활성층(130)은 하나의 양자우물층 또는 더블헤테로 구조로 형성될 수 있다.

상기 활성층(130)과 p형 질화물 반도체층(140)의 일부는 메사 식각(mesa etching)으로 제거되어, 저면에 위치한 n형 질화물 반도체층(120)의 일부를 노출하고 있다.

상기 메사 식각에 의해 노출된 n형 질화물 반도체층(120) 상의 소정 부분에는 반사 역할 및 전극 역할을 동시에 하는 n형 전극(160)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 n형 전극(160)이 Cr/Au, Ti/Al 등으로 이루어져 있다.

상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에 소정 간격 이격되어 위치하며, 상기 P형 질화물 반도체층(140)을 구성하는 물질과 다른 물질로 이루어진 복수의 도트(200)가 형성되어 있다. 상기 도트(200)는, 이의 형상을 따라 후술하는 전류확산층의 상부 표면에도 오목하고 볼록한 형태의 표면 요철을 형성하기 위한 인쇄(print) 역할을 한다.

보다 상세하게, 상기 도트(200)의 높이(h₄)는, 후술하는 전류확산층의 상부 표면에 표면 요철을 형성하기 위하여 100Å 이상인 것이 바람직하다. 한편, 상기 도트(200)의 높이(h₄)가 100,000Å을 초과할 경우엔, 그 단차로 인하여 그 위에 형성되는 층이 단락되는 등의 후속 공정을 진행하는 어려운 문제가 있다. 즉, 상기 도트(200)의 높이(h₄)는 100Å 내지 100,000Å 범위를 가지는 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 약 2000Å의 높이를 가지도록 형성되어 있다.

또한, 상기 도트(200)가 형성된 총 면적은, 발광 면적을 최대한 확보하기 위해 상기 전류확산층의 전체 면적의 50% 이하로 형성되는 것이 바람직하다.

특히, 본 발명에 따른 상기 도트(200)는, 고내열성·고반사성 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는, 후술하는 전류확산층을 형성하기 위한 ITO 어닐링 공정 시, 도트(200)를 형성하는 물질이 확산되는 것을 방지하고, 상기 활성층(130)에서 발광하는 광을 산란시켜 광 추출 효율을 향상시키기 위함이다. 이러한 조건을 만족시키는 상기 고내열성·고반사성 금속은, Pt, Al, Ni, Ag, W, Cu 및 Cr로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 금속 또는 이들의 합금으로 이루어진다.

또한, 상기 도트(200)는, 상기 활성층(130)에서 발광하는 광을 투과시키기 위하여 투과성 산화 계열의 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 투과성 산화 계열의 물질은, SiO₂, InO, SnO, ZnO, TiO 및 AlO로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질이다.

상기 도트(200)이 형성된 p형 질화물 반도체층(140) 상에는 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 전류확산층(150)이 상기 도트(200)의 표면을 따라 형성되어 있다. 이에 따라, 상기 전류확산층(150)의 상부 표면은 하부에 위치하는 도트(200)의 높이(h₄)로 인한 단차로 인하여 상기 도트(200)의 높이(h₄) 만큼 돌출되어 있는 표면 요철(155)을 가지고 있다.

다시 말하여, 본 발명에 따른 상기 전류확산층(150)은, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상의 어느 점에서라도 전체적으로 균일한 두께를 유지하여 표면 요철을 가지는 부분에서 높이가 증가하여 광을 흡수하던 종래의 문제점(도2 참조)을 해결할 수 있다. 즉, 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광다이오드가 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광다이오드에 비하여 더욱 낮은 동작전압과 더욱 높은 밝기를 나타냄을 알 수 있다.

여기서, 도 4는 도 1 및 도 3에 도시된 질화물계 반도체 발광다이오드의 동작전압(V) 변화를 비교하여 나타낸 그래프이고, 도 5는 도 1 및 도 3에 도시된 질화물계 반도체 발광다이오드의 밝기(lm) 변화를 비교하여 나타낸 도면이다.

상기 표면 요철(155)을 가지는 전류확산층(150) 상에는 Cr/Au 등으로 이루어진 p형 전극(170)이 형성되어 있다.

실시예 2

그러면, 이하 도 6을 참고로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광다이오드에 대해 설명하기로 한다. 다만, 제2 실시예의 구성 중 제1 실시예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략하고, 제2 실시예에서 달라지는 구성에 대해서만 상술하기로 한다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광다이오드의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광다이오드 는 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광다이오드와 대부분의 구성이 동일하고, 다만, 상기 도트(200)가 p형 질화물 반도체층(140) 상에 위치하는 것이 아니라 전류확산층(150) 즉, p형 질화물 반도체층(140) 상에 형성된 제1 전류확산층(150a)과 그 위에 형성된 제2 전류확산층(150b) 사이에 위치한다는 점에서만 제1 실시예와 다르다.

즉, 제1 실시예는 상기 p형 질화물 반도체층(140)과 전류확산층(150) 사이에 위치한 복수의 도트(200)가 형성되어 있는 것을 예시한 것이며, 제2 실시예는 상기 전류확산층(150)이 제1 및 제2 전류확산층(150a, 150b)으로 나누어져 있으며, 그 사이에 도트(200)가 형성되어 있는 것을 예시한 것이다.

한편, 상기 도트(200)는 앞서 상술한 제1 실시예의 도트(200, 도 3 참조)와 동일한 조건을 가지며, 그에 따라, 제1 실시예의 도트와 동일한 작용 및 효과를 얻을 수 있다.

즉, 이러한 제2 실시예는 제1 실시예에서와 동일한 작용 및 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에 전체적으로 제1 전류확산층(150a)이 접촉하고 있으므로, 제1 전류확산층(150a)을 통해 전류확산 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 소정 간격 이격되어 위치한 복수의 도트의 높이로 인한 단차를 이용하여 전류확산층의 상부 표면에 요철을 형성함으로써, 전체적인 전류확산층의 두께를 균일하게 유지할 수 있으며, 그에 따라, 전류확산층 내부에서 흡수되어 소멸되는 광을 확보하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 동작전압(V)을 낮추고, 밝기(lm)를 향상시켜 질화물계 반도체 발광소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (16)

1. 기판;

   상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;

   상기 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 활성층;

   상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;

   상기 p형 질화물 반도체층 상에 소정 간격 이격되어 형성되되, 상기 p형 질화물 반도체층을 이루는 물질과 다른 물질로 이루어진 복수의 도트;

   상기 도트의 상부 표면을 따라 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 전류확산층;

   상기 전류확산층 상에 형성된 p형 전극; 및

   상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극;을 포함하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
2. 제1항에 있어서,

   상기 도트는, 고내열성·고반사성 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
3. 제2항에 있어서,

   상기 고내열성·고반사성 금속은, Pt, Al, Ni, Ag, W, Cu 및 Cr로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 금속 또는 이들의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하 는 질화물계 반도체 발광다이오드.
4. 제1항에 있어서,

   상기 도트는, 투과성 산화 계열의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
5. 제4항에 있어서,

   상기 투과성 산화 계열의 물질은, SiO₂, InO, SnO, ZnO, TiO 및 AlO로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
6. 제1항에 있어서,

   상기 도트는, 100Å 내지 100,000Å 범위의 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
7. 제1항에 있어서,

   상기 도트가 형성된 총 면적은, 상기 전류확산층의 전체 면적의 50% 이하인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
8. 제1항에 있어서,

   상기 전류확산층은, ITO로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
9. 기판;

   상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;

   상기 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 활성층;

   상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;

   상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 제1 전류확산층;

   상기 제1 전류확산층 상에 소정 간격 이격되어 형성된 복수의 도트;

   상기 도트의 상부 표면을 따라 상기 제1 전류확산층 상에 형성된 제2 전류확산층;

   상기 제2 전류확산층 상에 형성된 p형 전극; 및

   상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극;을 포함하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
10. 제9항에 있어서,

    상기 도트는, 고내열성·고반사성 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
11. 제10항에 있어서,

    상기 고내열성·고반사성 금속은, Pt, Al, Ni, Ag, W, Cu 및 Cr로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 금속 또는 이들의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
12. 제9항에 있어서,

    상기 도트는, 투과성 산화 계열의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
13. 제12항에 있어서,

    상기 투과성 산화 계열의 물질은, SiO₂, InO, SnO, ZnO, TiO 및 AlO로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
14. 제9항에 있어서,

    상기 도트는, 100Å 내지 100,000Å 범위의 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
15. 제9항에 있어서,

    상기 도트가 형성된 총 면적은, 상기 전류확산층의 전체 면적의 50% 이하인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
16. 제9항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 전류확산층은, ITO로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.

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